Các nhà sản xuất chip di động: các khối xây dựng cơ bản

Mặc dù bạn có thể lập luận rằng thị trường cho bộ xử lý máy tính để bàn và máy tính xách tay đã trở nên khá hạn chế và có thể dự đoán được gần đây, thị trường bộ xử lý ứng dụng cho điện thoại di động và máy tính bảng vẫn là một thị trường cực kỳ sôi động với hơn một chục đối thủ cạnh tranh. Các bộ xử lý này đang di chuyển khá nhanh, với bộ xử lý ứng dụng lõi tứ tính năng mới của năm ngoái đã trở nên phổ biến trong năm nay.

Tôi đã theo dõi nơi các bộ xử lý đang đứng đầu và làm thế nào chúng sẽ phát triển trong năm tới. Trong một số bài đăng tiếp theo, tôi sẽ viết về các bộ xử lý cụ thể, nhưng hãy bắt đầu bằng cách xem xét các thành phần đi vào chip.

Các khối xây dựng cơ bản

Tất cả các bộ xử lý di động bao gồm cả lõi CPU và lõi đồ họa; hầu hết có chứa một số tính năng kết nối và / hoặc phần cứng băng cơ sở để kết nối với mạng di động. (Ngay cả khi đó, thông thường điện thoại yêu cầu chip RF riêng cho kết nối, cộng với chip kết nối riêng cho những thứ như Wi-Fi và Bluetooth.)

Một lý do có quá nhiều sự cạnh tranh trong không gian di động là phần lớn bộ vi xử lý cho điện thoại và máy tính bảng được xây dựng trên một số bước lặp của kiến ​​trúc ARM, hoặc sử dụng các lõi do ARM Holdings tự thiết kế hoặc các lõi tùy chỉnh được xây dựng bằng cách sử dụng "Giấy phép kiến ​​trúc", đáng chú ý bao gồm Qualcomm (với lõi "Eo biển") và Apple trong không gian di động.

Tất nhiên, có kiến ​​trúc cạnh tranh. Intel đang cố gắng thúc đẩy kiến ​​trúc x86 vốn rất phổ biến trên máy tính để bàn và máy tính xách tay và Imagination Technologies cũng có kiến ​​trúc MIPS được mua lại gần đây (nhiều hơn về sau). Tuy nhiên, ARM thực sự thống trị thị trường lõi CPU di động.

Đồ họa có phần đa dạng hơn. Nhà cung cấp IP đồ họa nổi tiếng nhất của bên thứ ba là Công nghệ Tưởng tượng. Họ Power VR của nó được sử dụng trong rất nhiều bộ xử lý, bao gồm cả những bộ xử lý của Intel và Apple. ARM đã cạnh tranh với gia đình lõi đồ họa của họ và một số nhà sản xuất chip tạo ra đồ họa của riêng họ, bao gồm Qualcomm với đồ họa Adreno và Nvidia với đồ họa GeForce.

Lõi ARM ở mọi nơi

ARM thực sự tạo ra một số lõi khác nhau, từ các lõi nhỏ bé được sử dụng trong tất cả các loại thiết bị cho đến dòng Cortex thường thấy trong các bộ xử lý di động. Ngay cả ở đây, có rất nhiều sự lựa chọn từ Cortex-A9 (được sử dụng trong hầu hết các điện thoại ngày nay) cho đến Cortex-A15 mới mạnh mẽ hơn và Cortex-A7 nhỏ bé, tiết kiệm điện.

Cortex-A9 là trái tim của hầu hết các lõi ứng dụng của bên thứ ba trong vài năm qua, mặc dù năm nay, nhiều nhà sản xuất bộ xử lý ứng dụng đang chuyển sang thiết kế mới. Nhiều chiếc dựa trên Cortex-A15, được thiết kế để có hiệu suất cao hơn và / hoặc Cortex-A7, được thiết kế để sử dụng ít năng lượng hơn. A15 có không gian địa chỉ vật lý 40 bit, mặc dù các luồng riêng lẻ chỉ có thể truy cập 32 bit và nó cung cấp một kiến ​​trúc mới nên mạnh mẽ hơn. Broadcom, Nvidia, Samsung, ST-Ericsson và Texas Cụ đã công bố tất cả các kế hoạch cho các bộ xử lý sử dụng lõi này.

Cortex-A7 rất thú vị, vì nó được thiết kế để sử dụng ít năng lượng hơn đáng kể và nhỏ hơn đáng kể so với Cortex-A9. Như bạn có thể thấy trong biểu đồ trên, việc triển khai Cortex-A7 28nm có thể rất nhỏ, nhỏ hơn nửa milimet vuông và chỉ sử dụng khoảng một phần ba sức mạnh của Cortex-A9 40nm. Mặc dù có thể thay đổi một chút khi triển khai, nhưng nhìn chung, mỗi lõi A7 dự kiến ​​sẽ sử dụng ít hơn 100 milliwatts năng lượng, so với mức đỉnh 200 đến 300 milliwatt cho A9 và lên tới 500 milliwatts cho A15.

Nhưng cú hích lớn nhất của ARM là dành cho cái mà nó gọi là kiến ​​trúc big.LITTLE, kết hợp giữa A7 và A15. Trong thiết kế như vậy, một con chip có thể có nhiều lõi trong mỗi kiến ​​trúc, với các lõi có công suất thấp hơn hầu hết thời gian và chip chuyển sang lõi có công suất cao hơn khi cần hiệu năng bổ sung, có thể trong khi chạy một phép tính phức tạp bên trong một trò chơi, hoặc thậm chí JavaScript phức tạp trong một trang web.

Các giấy phép được công bố hiện tại của kiến ​​trúc kết hợp bao gồm CSR, Fujitsu, MediaTek, Renesas Mobile và Samsung Electronics. Thông báo đầu tiên về điều này là Exynos 5 Octa của Samsung nhưng các nhà cung cấp khác như Renesas dường như bị tụt lại phía sau. Tại triển lãm, ARM đã trình diễn cách kết hợp big.LITTLE có thể tiết kiệm năng lượng.

A15 và A7 sẽ được theo sau bởi Cortex-A57 và A53, cũng sẽ được tham gia trong sơ đồ big.LITTLE, với A53 công suất thấp chạy hầu hết thời gian, nhưng A57 có sẵn khi cần nhiều năng lượng hơn. Mặc dù cả hai đều là bộ xử lý có khả năng 64 bit, ban đầu chúng sẽ chạy với hệ điều hành 32 bit, không thể xử lý nhiều hơn 4GB, giới hạn của bộ xử lý 32 bit trong hầu hết các trường hợp. (Các lõi này cũng sẽ tìm đường vào bộ xử lý nhắm vào thị trường máy chủ, nơi cần bộ nhớ lớn hơn.)

Nhưng chúng ta không chỉ nhìn thấy một cách tiếp cận. Có vẻ như mỗi nhà cung cấp bộ xử lý có một cách tiếp cận khác nhau cho bộ xử lý cao cấp của họ. Samsung và Renesas cung cấp bốn chiếc A15 và bốn chiếc A7. Nvidia đang đẩy bốn chiếc A15 toàn năng cộng với lõi năng lượng thấp. MediaTek và những người khác đang sử dụng đơn giản bốn chiếc A7. ST-Ericsson đang quảng bá lõi A9 nhưng với tốc độ nhanh hơn.

Và sau đó là những công ty có "giấy phép kiến ​​trúc". Những thứ này về cơ bản cho phép các hãng tạo ra các lõi có các tính năng độc đáo, nhưng vẫn tương thích với kiến ​​trúc ARM. Kiến trúc đó rất hiệu quả, tập lệnh đã có nhiều biến thể, với A9, A7 và A15 đều sử dụng cái gọi là ARMv7. A53 và A57 sắp tới sử dụng một biến thể mới hơn hỗ trợ tính toán 64 bit, được gọi là ARMv8.

Nhiều công ty có giấy phép kiến ​​trúc. Có lẽ nổi tiếng nhất là Qualcomm, sử dụng lõi "K Eo" của nó trong hầu hết các bộ xử lý hiện tại (mặc dù sử dụng A7 ở cấp thấp). K Eo là lõi tương thích ARMv7. Marvell thiết kế lõi riêng trong dòng vi xử lý Armada. Apple không tiết lộ hầu hết các chi tiết về bộ xử lý của mình nhưng được cho là đã thiết kế lõi riêng cho bộ xử lý A6 và A6X cho iPhone và iPad. Các lõi xử lý đầu tiên tương thích với ARMv8 có khả năng nằm trong các chip máy chủ như ApplicationMicro X-Gene, nhưng có thể nhiều công ty khác sản xuất lõi tương thích ARM sẽ phù hợp. Chẳng hạn, Nvidia đã công bố kế hoạch tạo ra lõi riêng của mình có tên là "Project Denver" cho bộ xử lý di động ra mắt vào năm 2015.

Các lựa chọn thay thế x86 và MIPS

Trong khi kiến ​​trúc ARM thống trị điện thoại di động và máy tính bảng, có những lựa chọn thay thế. Intel đã gây ồn ào nhất thời gian gần đây với một loạt sản phẩm và lộ trình cho gia đình Atom của mình nhắm vào các thiết bị di động. Công ty đã trình diễn bộ vi xử lý mới nhắm vào phân khúc thấp của thị trường điện thoại thông minh có tên Z2420 (tên mã Lexington) tại CES vào tháng 1 và tại Đại hội Thế giới di động đã tiết lộ nền tảng Clover Trail +, dẫn đầu là lõi kép / bốn luồng Atom Z2580, chạy ở tốc độ lên tới 2GHz.

Mặc dù công ty đã cho thấy các điện thoại dựa trên Atom một thời gian, nhưng chỉ trong năm qua, những chiếc điện thoại như vậy mới thực sự xuất hiện trên thị trường. Intel cho biết họ hiện có 10 thiết kế điện thoại di động dựa trên chip Atom của mình tại hơn 20 quốc gia và đã được quảng cáo là các tính năng như hỗ trợ camera HDR mà không bị nhòe chuyển động. Các bộ xử lý Atom hiện tại của Intel được sản xuất trên công nghệ 32nm, nhưng công ty đã có kế hoạch chuyển sang công nghệ FinFET 22nm mà nó sử dụng trong các bộ xử lý Core của mình vào khoảng cuối năm nay. Tất nhiên, Intel từ lâu đã thống trị phân khúc máy tính xách tay và đã đạt được một số tiến bộ với máy tính bảng và chuyển đổi dựa trên Atom và Core trong năm nay. Tôi sẽ thảo luận chi tiết khi tôi đến các nhà cung cấp bộ xử lý riêng lẻ trong bài tiếp theo.

Đối thủ truyền thống của Intel về bộ xử lý x86, AMD, cũng có mặt tại Đại hội Thế giới Di động, cho thấy Temash, bộ xử lý sắp tới của hãng nhắm vào máy tính bảng và máy tính bảng Windows. Điều này sẽ có sẵn trong cả phiên bản lõi kép và lõi tứ, và AMD đã cho thấy các bản demo về cách nó vượt trội so với nền tảng Clover Trail hiện tại. Điều này dự kiến ​​sẽ ra mắt vào nửa đầu năm 2013. AMD vẫn chưa có nền tảng điện thoại.

Cấu trúc CPU khác mà chúng ta đã thấy trong các thiết bị di động đến từ MIPS, được mua lại bởi Imagination Technologies. MIPS cung cấp ba cấp độ với họ lõi xử lý Aptiv, bao gồm dòng Pro-Aptiv nhắm vào bộ xử lý ứng dụng. Các quan chức tưởng tượng lưu ý rằng MIPS đã bán lõi 64 bit trong 20 năm và cho biết công ty có mục tiêu vận chuyển 25% tất cả các lõi CPU trong bốn đến năm năm tới. Hiện tại, phần lớn bộ xử lý MIPS đi vào các thị trường như mạng, cơ sở hạ tầng và hộp giải mã, nhưng Ingenic không tạo ra bộ xử lý cho thiết bị di động và công ty hy vọng sẽ thấy sự nhấn mạnh hơn trong lĩnh vực đó. MIPS gần đây đã công bố một phiên bản mới của kiến ​​trúc, được gọi là V5, và dự kiến ​​sẽ thấy các chip ban đầu vào cuối năm nay.

Đồ họa: Cuộc thi đáng ngạc nhiên

Nếu ARM chiếm ưu thế trong các lõi ứng dụng di động, thì Imagination Technologies đã chiếm ưu thế trong các lõi đồ họa di động, mặc dù nó đã phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng tăng.

Tưởng tượng ngày nay hầu hết được thể hiện thông qua PowerVR series 5, bao gồm cả phần mở rộng 5XT của nó có thêm một số khả năng cho phép các khả năng OpenGL ES 3.0. Phiên bản cao cấp hôm nay là SGX 544MP4, "4" cho biết số lượng lõi đồ họa. Nhiều công ty hỗ trợ đồ họa Tưởng tượng, bao gồm Apple, Intel, MediaTek, ST-Ericsson, Ingenic, Allwinner và Texas Cụ. Mặc dù Apple thường không xác nhận nhưng bộ xử lý A6X của iPad hiện tại có đồ họa lõi tứ PowerVR SGX 554MP4. (Tưởng tượng đã thể hiện điều này tại gian hàng của mình tại Mobile World Congress.) Công ty sau đó đã xác nhận rằng Samsung Exynos 5410 Octa cũng sử dụng những đồ họa đó.

Tiến về phía trước, công ty đang quảng bá PowerVR series 6, vốn sẽ hỗ trợ DirectX 10 và Open GL ES 3.0. Điều này sẽ được cung cấp với từ một đến sáu cụm đồ họa, từ G6100 đến 6630 cao cấp nhất. Tưởng tượng cho biết nó có 10 giấy phép cho đồ họa VR6.

Tưởng tượng cũng đang đẩy một khả năng đồ họa riêng biệt dưới dạng lõi video PowerVR của nó, bao gồm giải mã và mã hóa video. Công ty cho biết những người được cấp phép đã vận chuyển hơn 500 triệu lõi này.

Trong số các đồ họa có thể cấp phép, đối thủ cạnh tranh lớn nhất của Imagination là ARM, công ty cung cấp các lõi GPU (đơn vị xử lý đồ họa) của Mali. ARM nói rằng họ hiện có 75 giấy phép cho việc này và hy vọng 240 triệu bộ vi xử lý sẽ xuất xưởng với công nghệ này vào năm 2013. Đặc biệt, công ty đã sử dụng cách kết hợp này có thể được sử dụng cho những thứ như điện toán GPU, chụp ảnh tính toán, nhận diện khuôn mặt, và chơi game thời gian thực.

Trong gia đình Mali, có một số cấp độ, bao gồm các gia đình Mali-400 và -450 chủ yếu nhắm vào điện thoại thông minh trên thị trường đại chúng và gia đình Mali-T600 nhắm nhiều hơn vào phân khúc cao cấp.

Trong số các công ty sử dụng lõi của Mali là Samsung Electronics, Leadcore, MediaTek, Spreadtrum, ST-Ericsson, AllWinner và Rockchip. Nếu bạn nhận thấy một số trùng lặp với danh sách Tưởng tượng, đó là vì một số công ty sử dụng đồ họa khác nhau trong các bộ xử lý khác nhau.

Nhưng có lẽ các đối thủ lớn nhất đối với các lõi đồ họa có thể cấp phép là đồ họa độc đáo mà nhiều nhà sản xuất bộ xử lý ứng dụng kết hợp. Qualcomm có lẽ đã thành công nhất, sử dụng đồ họa Adreno rộng rãi trong bộ vi xử lý Snapdragon của mình. Điều này cũng có nhiều hương vị khác nhau, tùy thuộc vào thị trường mà chip dự định sử dụng. Nvidia có lẽ đã làm tốt nhất trong việc sử dụng đồ họa như một sự khác biệt, nói về đồ họa GeForce của nó và cách nó đã đưa di sản chơi game trên PC của mình và áp dụng điều này vào bộ xử lý di động. Broadcom cũng có công nghệ đa phương tiện riêng, được gọi là VideoCore.

Tôi sẽ đề cập đến các nhà cung cấp chip cụ thể hơn trong bài viết tiếp theo của tôi.